Недостаток кислорода: миф или реальность?
Замолодчиков Д.Г.
доктор биологических наук, заместитель директора Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН, профессор кафедры общей экологии Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова
Введение
Энергетической основой современной цивилизации является сжигание ископаемого топлива. Оно сопровождается выделением в атмосферу продуктов сгорания, то есть углекислого газа, паров воды и ряда прочих примесей. Как ныне хорошо известно, углекислый газ является важным регулятором климата Земли. В результате эмиссий от сжигания ископаемого топлива и, в меньшей степени, от обезлесивания содержание углекислого газа в атмосфере повысилось более чем на 30% за последние 100 лет, что стало причиной усиления парникового эффекта атмосферы и глобального потепления климата. Негативные экологические, экономические и социальные проблемы, связанные с имеющимися и прогнозируемыми проявлениями глобальных изменений климата, привели к необходимости международной координации усилий по контролю эмиссий парниковых газов в атмосфере. В 1992 г. была заключена Рамочная конвенция ООН по изменению климата, в 1997 г появился Киотский протокол к этой конвенции, вступивший в действие после его ратификации Российской Федерацией в 2004 г.
Сжигание ископаемого топлива является двусторонним процессом, связанным не только с эмиссией продуктов сгорания в атмосферу, но и с потреблением из нее свободного кислорода. Вполне естественно предположить, что если увеличение запас углекислого газа в атмосфере приводит к явным негативным эффектам, то и уменьшение содержания кислорода вполне может грозить серьезными экологическими проблемами. Ведь кислород необходим человеку и другим аэробным живым организмам для дыхания, от содержания кислорода в воздухе в значительной степени зависит самочувствие людей. Многие из нас сами ощущали, как болезнен недостаток кислорода, оказавшись, например, в условиях высокогорья. Кроме того, из свободного кислорода формируется озоновый слой атмосферы, защищающий живые организмы от губительного ультрафиолетового излучения солнца. Если общее количество кислорода уменьшается, то и озоновый слой может истощаться, а ведь проблема сохранения озонового слоя была
И вот уже в средствах массовой информации и Интернете идет активное обсуждение кислородных проблем Земли, раздаются призывы к охране кислорода и введении лицензирования на его промышленное использование. «Однако, с каждым годом содержание кислорода в атмосфере снижается. Причин тому множество – вырубка лесов, автомобильные выхлопы, загрязнение окружающей среды токсичными выбросами заводов…». Это цитата не из экологической публикации, а из рекламы кондиционеров King Oxygen от компании GREE (Кислород…, 2004). Данный пример показывает, что проблема снижения запаса атмосферного кислорода настолько интересна для общества, что она даже может эксплуатироваться в целях достижения коммерческого успеха продукции.
И в то же время имеется сравнительно мало научных публикаций по проблеме снижения содержания атмосферного кислорода и современных изменениях биосферного круговорота кислорода, особенно в сравнении с громадным количеством публикаций по парниковым газам. Причины такого «пренебрежения» научных кругов данной проблемой, надеюсь, станут ясными по прочтении настоящей статьи, в которой будет представлены ответы на следующие вопросы:
1. Каковы величины современного антропогенного кислорода атмосферы?
2. Каково влияние человека на круговорот кислорода в современной биосфере?
3. Каким образом сформировалась современная кислородная атмосфера планеты?
4. Каковы последствия снижения запаса свободного кислорода для здоровья и самочувствия людей?
5. Следует ли регулировать промышленное потребление кислорода?
Антропогенное потребление кислорода
В современном мире основную часть энергии человечество получает за счет сжигания ископаемого топлива. Горение является типичной окислительно-восстановительной реакцией, в которой восстановителем выступает топливо (нефть, природный газ, каменный уголь), а окислителем – атмосферный кислород. Одним из продуктов этой реакции является углекислый газ, который попадает в атмосферу. Таким образом, открывается возможность оценки антропогенного потребления кислорода по величинам эмиссии углекислого газа. В свою очередь, величины эмиссии CO2
для различных регионов и стран мира оценены с высокой точностью в связи с участием этого газа в процессах глобального потепления.
Для пересчета из величин эмиссии углекислого газа в потребление кислорода надо ввести коэффициенты. Эти коэффициенты зависят от типа сжигаемого топлива. Например, если горит графит (С), то при образовании одной молекулы углекислого газа потребляется одна молекула кислорода (O2
), и мольный коэффициент равен 1. В то же время при сгорании молекулы метана (CH4
) образуется одна молекула CO2
и две молекулы воды (H2
O), то есть потребляется две молекулы O2
, а мольный коэффициент равен 2. По нашим расчетам, мольный коэффициент при сжигании газообразного топлива составляет 1.95 (наличие в природном газе этана, пропана и бутана понижает мольный коэффициент доминирующего метана), жидкого топлива – 1.54, твердого топлива – 1.03.
Для пересчетов в массу следует учесть молекулярные веса. Величины эмиссии углекислого газа обычно приводятся в единицах массы углекислого газа (молекулярный вес 44) или углерода (молекулярный вес 12), в то время как вес молекулы кислорода составляет 32. Следовательно, при сжигании газообразного топлива для пересчета из эмиссии углекислого газа в потребление кислорода следует использовать коэффициент 1.42 = (1.95*32)/44, жидкого топлива – 1.12, твердого – 0.75.
В соответствии с требованиями Рамочной конвенции ООН по изменению климата страны проводят учет антропогенных эмиссий углекислого газа и публикуют их в национальных сообщениях. При расчетах антропогенного потребления кислорода мы базировались на величинах эмиссий углекислого газа, обобщенных в обзорах «Мировые ресурсы» (World resources…, 2000, 2003). Для более детальной оценки вклада России были использованы величины из III Национального сообщения Российской Федерации (2002) по изменению климата. Приведенные в этих источниках величины эмиссии углекислого газа при сгорании) твердого, жидкого и газообразного топлива (включая эмиссии от сжигания попутного газа) пересчитывались в величины потребления кислорода. В расчетах не были использованы величины эмиссии углекислого газа, связанные с производством цемента, так как этот процесс не приводит к поглощению атмосферного кислорода.
Суммарная общемировая величина потребления кислорода от сжигания ископаемого топлива в 1990 г. составила 20.8 Гт год-1
(Табл. 1) или 0.65 ×1015
моль год-1
, что близко к имеющимся литературным оценкам 0.58 ×1015
(Keeling et al., 1993) и 0.67±1.7 ×1015
моль год-1
(Keeling, Shertz, 1992). Средний мировой мольный коэффициент пересчета углекислый газ/кислород (зависящий от соотношения различных типов ископаемого топлива), согласно нашим расчетам, в 1990 г. был равен 1.40, что также очень близко к имеющейся литературной оценке 1.39 (Keeling et al., 1996). Для мировой экономики характерно снижение доли твердого топлива при возрастании роли газообразного, в. результате мольный коэффициент повышается. В 1999 г. в целом для мировой экономики он составил 1.42.
По общему антропогенному потреблению кислорода лидируют Соединенные Штаты Америки (24% от мирового потребления в 1990 г. и 25% в 1999 г.). Суммарная доля европейских стран (за исключением Российской Федерации) составляла 24% в 1990 г. и 21% в 1999 г. Снижение доли Европы как в абсолютном, так и в относительном выражении определяется экономическими изменениями в восточной части Германии (бывшая ГДР) и в бывших республиках СССР (в первую очередь Украина и Белоруссия). Наибольшее снижение (33%) потребления атмосферного кислорода демонстрирует Российская Федерация. Наибольшие темпы роста потребления кислорода имеют место в странах Ближнего Востока и Северной Африки (46%) и Латинской Америки (43%). Тем не менее, пока доля этих регионов в мировом потреблении кислорода сравнительно невелика (соответственно 7 и 4% в 1999 г.). На второе место по потреблению кислорода (после США) к 1999 году вышел Китай.
Таблица 1. Суммарные величины годового потребления атмосферного кислорода в результате сжигания ископаемого топлива
| Страны и группы стран |
Потребление O2
|
Изменение от 1990 к 1999, % |
|||
| 1990 |
1999 |
||||
| Гт |
% от мирового |
Гт |
% от мирового |
||
| Германия |
0.92 |
4.4 |
0.85 |
3.7 |
-7.2 |
| Великобритания |
0.57 |
2.7 |
0.62 |
2.7 |
9.6 |
| Российская Федерация |
2.59 |
12.4 |
1.72 |
7.5 |
-33.4 |
| Прочие страны Европы |
3.43 |
16.5 |
3.25 |
14.1 |
-5.4 |
| Страны Ближнего Востока и Северной Африки |
1.09 |
5.2 |
1.60 |
6.9 |
46.3 |
| Прочие страны Африки |
0.36 |
1.8 |
0.36 |
1.6 |
-0.3 |
| Китай |
1.87 |
9.0 |
2.54 |
11.0 |
36.1 |
| Япония |
1.07 |
5.1 |
1.22 |
5.3 |
14.0 |
| Прочие страны Азии (без Ближнего Востока) |
2.12 |
10.2 |
2.71 |
11.8 |
28.1 |
| Австралия и Океания |
0.28 |
1.4 |
0.34 |
1.5 |
19.5 |
| Канада |
0.46 |
2.2 |
0.56 |
2.4 |
21.5 |
| США |
5.01 |
24.1 |
5.84 |
25.4 |
16.6 |
| Страны Центральной Америки и Карибского бассейна |
0.45 |
2.2 |
0.54 |
2.3 |
19.0 |
| Страны Южной Америки |
0.60 |
2.9 |
0.86 |
3.7 |
42.6 |
| Весь мир |
20.81 |
100.0 |
22.99 |
100.0 |
10.5 |
В расчете на общую площадь страны (группы стран) первое место по потреблению кислорода занимает Япония, в которой при сжигании ископаемого топлива в год используется 32 т кислорода на 1 га площади (Рис. 1). Далее следуют Великобритания, Германия, прочие страны Европы и лишь на 5 месте США. В среднем по всему миру потребление кислорода составляет около 2 т кислорода на 1 га площади. Для Российской Федерации это значение почти в два раза меньше среднего мирового, что является выражением сравнительно малых объемов экономической активности в расчете на общую площадь страны.
Рисунок 1. Потребление кислорода в расчете на площадь страны или группы стран.
В расчете на душу населения (Рис. 2) по антропогенному потреблению кислорода лидируют США и Канада, в которых эта величина составляет соответственно 20 и 18 т на 1 человека в год. Далее следует Российская Федерация (12 т O2
чел-1
год-1
), что связано с высокой энергоемкостью внутреннего валового продукта, а также холодными климатическими условиями. Для всех европейских стран и Японии потребление кислорода на одного человека в год находится в пределах 9-11 т. Абсолютный минимум этой величины (0.5 т O2
чел-1
год-1
) приходится на африканские страны. В среднем по всему миру годовое потребление кислорода на душу населения составляет около 4 т.
Помимо сжигания ископаемого топлива, кислород потребляется при окислении биомассы, мертвых растительных остатков и органического вещества почвы. Эти процессы так же стимулируются под влиянием человека, например, при обезлесивании, сельскохозяйственной обработке почвы, осушении болот и так далее. Процесс окисления органических веществ является либо результатом деятельности организмов-деструкторов (гниение растительных остатков, минерализация почвенного гумуса), либо горения (лесные пожары, палы на сельскохозяйственных землях). Химическая реакция в обоих случаях одинакова – окисление органического вещества кислородом. Легко подсчитать, что при окислении молекулы глюкозы (C6
H12
O6
) мольный коэффициент кислород/углекислый газ будет равен 1 (то есть такой же, как у графита). Органическое вещество в растениях или их остатках находится в несколько более восстановленной форме, и мольный коэффициент равен 1.05 (Keeling, Najjar, 1993). Таким образом, при массовых пересчетах эмиссий от обезлесивания и землепользования (выраженных в т С) надо использовать коэффициент 2.80 = (1.05*32)/12.
Рисунок 2. Потребление кислорода в расчете на население страны или группы стран.
Согласно последнему отчету МГЭИК (Prentice et al., 2001), эмиссия углекислого газа за счет изменений в землепользовании составляла около 1.6 Гт С в год и существенно не менялась в период 1980-2000 гг. Годичный расход кислорода при этом был равен 4.5 Гт. Следовательно, суммарный вклад человека в потребление кислорода может быть оценен в 25.3 Гт в 1990 г. и 27.5 Гт в 1999 г.
Полученные оценки потребления кислорода на первый взгляд кажутся угрожающими. Почти 30 миллиардов тонн кислорода преобразуется человеком в углекислый газ ежегодно с очевидной тенденцией к увеличению потребления кислорода в будущем. Однако реальный размер эксплуатации кислородного ресурса можно оценить лишь в сравнении с доступными запасами кислорода и его потоками в биосфере.
Круговорот кислорода в биосфере
Хорошо известно, что основные запасы молекулярного кислорода сосредоточены в атмосфере. Его процентное содержание в атмосферном воздухе близко к 21%, что, в пересчете на массу, составляет 1 184 000 Гт. Атмосферный кислород потребляется при дыхании наземных автотрофов (в основном представленных растениями) и гетеротрофов (животные, грибы, бактерии), а также растворяется в морской воде. Возвращение молекулярного кислорода в атмосферу происходит при фотосинтезе наземных растений и при выделении из морской воды.
Рассмотрим подробнее схему круговорота кислорода в биосфере (Рис. 3). При составлении этой схемы мы опирались на работу R.F. Keeling et al. (1993), с коррекцией величин ряда потоков согласно последним оценкам МГЭИК (Prentice et al., 2001), новейшим результатам исследований газообмена океана (Najjar, Keeling, 2000, Keeling, Garcia, 2002) и нашим оценкам антропогенного потребления кислорода.
Растения суши при создании органических веществ из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза ежегодно выделяют в атмосферу 336 Гт O2
. Создаваемое при этом органическое вещество (или его энергетический эквивалент) называют валовой первичной продукцией (GPP
). Ровно половина от GPP
используется на дыхание самими растениями (дыхание автотрофов), при этом из атмосферы расходуется 168 Гт O2
. Оставшаяся часть органического вещества называется чистой первичной продукцией (NPP
), равной 168 Гт КЭ[1]
. Вещество чистой первичной продукции пополняет пулы биомассы, детрита (то есть мертвых остатков живых организмов) и органического вещества почвы. Окисление органического вещества этих пулов производится гетеротрофными организмами (животные, грибы, бактерии), в результате ежегодно потребляется 154 Гт O2
. Кроме того, часть вещества окисляется в результате горения (лесные, степные и тундровые пожары, контролируемые палы на сельскохозяйственных землях, использование биомассы в качестве топлива и т. д.). Этот поток приводит к потреблению 11 Гт O2
. Суммировав все потоки потребления и образования молекулярного кислорода, получим, что биота суши ежегодно выделяет около 3 Гт O2
(тем самым частично компенсируя его потери, связанные со сжиганием ископаемого топлива).
|
Рис. 3. Круговорот кислорода в биосфере (по Keeling et al, 1993, с изменениями) Пулы кислорода представлены в Гт O2
, потоки – в Гт O2
год-1
. Потоки органического вещества выражены в количествах кислорода, необходимых для их полного окисления. GPP
– валовая первичная продукция, NPP
– чистая первичная продукция.
Мировой океан, как и атмосфера, является хранилищем молекулярного кислорода. Суммарное количество кислорода, растворенного в морской воде, равно 7200 Гт O2
, или около 0.6% от его содержания в атмосфере. Процессы обмена кислорода между океаном и атмосферой регулируются температурными условиями, вертикальным и горизонтальным транспортом водных масс, а также градиентами концентраций, создающимися в результате деятельности поверхностной морской биоты. Наибольший вклад в регуляцию кислородного обмена вносят сезонные изменения температуры. При весеннем прогревании воды кислород покидает поверхностные воды и переходит в атмосферу, в осенний период возвращается обратно. На кислородном обмене между атмосферой и поверхностью океана сказываются и суточные колебания температуры. В результате суммарный годичный обмен кислородом между океаном и атмосферой достигает 4480 Гт O2
, причем потоки растворения и выделения практически равны друг другу. Однако современное потепление климата приводит к повышению температуры поверхностных вод океана и тем самым некоторому уменьшению растворимости кислорода. По существующим оценкам (Najjar, Keeling, 2000, Keeling, Garcia, 2002), в период 1990-2000 гг. мировой океан ежегодно выделял в атмосферу около 1 Гт O2
. Этот кислород попадает в атмосферу за счет уменьшения его запаса в морских водах. Тренды к уменьшению концентрации растворенного кислорода зарегистрированы в различных районах мирового океана (Andreev, Kusakabe, 2001, Andreev, Watanabe, 2002, Kim et al., 2001 и др.).
В поверхностных водах до глубин распространения солнечного света (так называемая фотическая зона) планктонные организмы осуществляют фотосинтез, при котором выделяется 288 Гт O2
. Суммарное дыхание автотрофов и гетеротрофов фотической зоны приводит к поглощению 258 Гт O2
. Часть органического вещества, образуемого в фотической зоне, осаждается в глубинные воды (детритный дождь) и там разлагается гетеротрофными организмами. На их дыхание ежегодно расходуется 30 Гт кислорода, который транспортируется из поверхностных слоев воды. Таким образом, годичные потоки кислорода внутри океане являются хорошо сбалансированными.
Следует обратить внимание на принципиальное различие роли океана и суши в регулировании атмосферных концентраций углекислого газа и кислорода. На суше круговороты кислорода и углекислого газа тесно связаны, при поглощении углекислого газа выделяется кислород и наоборот при мольном соотношении 1.05. Совершенно иная ситуация имеет место в океане, который является наиболее мощным поглотителем углекислого газа атмосферы, изымющим из нее около 7.3 Гт CO2
ежегодно (Prentice et al., 2001). Однако этот процесс связан с физико-химическими процессами растворения углекислого газа в морской воде и не приводит к возвращению в атмосферу молекулярного кислорода.
Проведенный выше анализ круговорота кислорода на суше приводит к выводу, что наземная биота является ежегодно выделяет в атмосферу 3 Гт кислорода (с учетом сжигания биомассы), а океан – 1 Гт. Антропогенное потребление кислорода в результате сжигания ископаемого топлива составляет 21-23 Гт O2
, значит, ежегодные потери млекулярного кислорода атмосферой должны быть на уровне 17-19 Гт. На рис. 4А представлена динамика содержания кислорода в атмосфере, выраженная как снижение его массовых количеств по сравнению с уровнем 1990 г. (исходная информация по снижению содержания кислорода в ppm приведена в работах Keeling et al., 1996, Prentice et al., 2001). Годичные потери кислорода атмосферой, согласно приведенным на рис. XXА величинам, находятся в пределах 14-20 Гт O2
, то есть очень близки к нашим балансовым оценкам.
|
|
|
|
Рис. 4. Динамика запаса молекулярного кислорода атмосферы за 1999-2000 гг. А - по отношению к уровню 1990 г., Б – в абсолютном выражении.
Наземная биота компенсирует в настоящее время лишь около 13% от антропогенного потребления кислорода, связанного со сжиганием ископаемого топлива. В результате имеет место постоянное снижение запасов молекулярного атмосферного кислорода. Однако в относительном выражении это снижение крайне незначительно из-за очень больших запасов молекулярного кислорода атмосферы (1 184 000 Гт O2
). Годовое антропогенное потребление кислорода составляет лишь 0.0019% от его запаса в атмосфере, а снижение запаса кислорода – лишь 0.0016% (Рис. 4Б). При нынешних темпах потребления кислорода человечеству нужно более 600 лет, чтобы уменьшить содержание кислорода на 1%.
Реальный предел потенциальным возможностям человечества по использованию кислородного ресурса атмосферы определен планетарными запасами ископаемого топлива. Потенциальные запасы в кислородном эквиваленте оцениваются в 16 500 (Rogner, 1998), 17 500 (World Energy Council, 1993) и 24 320 Гт КЭ (Keeling et al., 1993). Если использовать наибольшую из цитированных оценок, легко подсчитать, что даже при полном использовании запасов ископаемого топлива из атмосферы может быть потреблено не более 2% кислорода. Добавим, что разведанные в настоящее время запасы ископаемого топлива составляют около 25% от потенциальных. Следовательно, возможности воздействия человека на содержание кислорода атмосферы оказываются невелики и не сравнимы по относительному уровню с воздействиями на концентрации малых газовых примесей атмосферы (углекислый газ, метан, оксиды азота и т. д.). Напомним, что за истекшее столетие содержание углекислого газа в атмосфере увеличилось на 32% (Prentice et al., 2001), что, в свою очередь, выразилось в значительном изменении климатической ситуации на планете.
Эволюция биосферного круговорота кислорода
Откуда же на нашей планете взялись столь большие запасы молекулярного кислорода, что даже современный уровень антропогенного воздействия на атмосферу не способен заметно их понизить? Более 4 млрд. лет назад, когда на Земле зародилась жизнь, атмосфера состояла из углекислого газа, азота, аммиака, водорода, метана и паров воды, но свободный кислород в ней отсутствовал (Одум, 1989, Воронов и др., 2002). Из-за отсутствия кислорода не существовало и озонового слоя, экранирующего ультрафиолетовое излучение Солнца, которое свободно достигало поверхности суши и океана. Поэтому жизнь могла развиваться только под защитой слоя воды. Древнейшая жизнь существовала, по-видимому, в виде анаэробных прокариотических организмов, получающих энергию и пищу от органических веществ абиогенного происхождения, образовавшегося еще раньше. Постепенно запасы органических веществ, образовавшихся в добиологический период существования Земли, были исчерпаны, и перед живыми организмами встала проблема по поиску альтернативного (по отношению к органическим веществам абиогенного происхождения) источника энергии. Таким источником стал солнечный свет, за счет энергии которого живые организмы стали осуществлять реакцию фотосинтеза. Первыми фотосинтетическими организмами могли быть анаэробные бактерии, подобные современным пурпурным или зеленым серобактериям (Заварзин, 1984).Следы анаэробного фотосинтеза в виде сульфатных минералов прослеживаются в отложениях возраста 3.5-4 млрд. лет. Однако этот тип фотосинтеза не приводит к образованию свободного молекулярного кислорода.
Оксигенный (то есть кислородопродуцирующий) фотосинтез появился около 2.7 млрд. лет назад (Башкин, 2002). Первоначально он осуществлялся прокариотическими организмами, близкими к современным цианобактериям. Именно аэробный фотосинтез положил начало наиболее масштабным биогеохимическим преобразованиям, приведшим к формированию окислительной атмосферы Земли. В атмосфере свободный кислород появился существенно позже, поскольку он в течение нескольких сотен миллионов лет расходовался на окисление различных восстановленных веществ, в первую очередь растворенных в морской воде ионов железа с выпадением в осадок окиси железа. Около 2 млрд. лет назад, когда была окислена вся масса недоокисленных соединений, начался процесс быстрого роста массы атмосферного кислорода. Стали развиваться формы аэробных организмов, использующих кислород для окисления органических веществ и тем самым получения энергии для существования. Аэробное окисление по сравнению с анаэробным брожением является более выгодным
Количество свободного кислорода в атмосфере планеты между тем продолжало все увеличиваться. Под действием коротковолнового излучения молекулярный кислород (O2
) превращается в озон (O3
). Спектр поглощения озона приходится на ультрафиолетовый диапазон, в результате озоновый слой атмосферы (или, как его часто называют, озоновый экран) является барьером для ультрафиолетового излучения Солнца. Озон образовывался даже при минимальных концентрациях кислорода в атмосферном воздухе, но достаточную эффективность защиты от ультрафиолета озоновый экран приобрел при содержании кислорода, составлявшем 10% от современного уровня (точка Веркнера-Маршалла). Жизнь получила возможность выйти на сушу, которую и реализовала около 500 млн. лет назад (Воронов и др., 2002).
Процесс возрастания массы кислорода массы кислорода не был непрерывным (рис. 5). За последние 500 млн. лет общая тенденция к росту массы свободного кислорода маскировалась значительными колебаниями (Будыко и др., 1985). Эти колебания определялись соотношением продуктивности фотосинтеза и процессов разложения запасов органического вещества. Так, распространение влажного теплого климата на основной части поверхности суши в карбоновом периоде (270-330 млн. лет назад) привело, с одной стороны, к увеличению продуктивности фотосинтеза, с другой, к возрастанию массы захороненного органического вещества (поскольку в переувлажненных почвах процессы разложения лимитируются недостатком кислорода). В результате имел рост массы кислорода. Резкое понижение массы свободного кислорода в поздней перми-триасе (180-250 млн. лет назад) было связано с аридизацией суши, что снизило первичную продукцию и улучшило условия для разложения биомассы и органических веществ почвы.
Рис. 5. Динамика запаса свободного кислорода в атмосфере (по данным Будыко и др., (1985)).
Современная кислородная атмосфера планеты образовалась в результате двух процессов: 1) жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов, от первичных оксигенных бактерий до современных покрытосеменных растений; 2) вывода органического углерода из биосферного круговорота. В процессе фотосинтеза кислород выделяется в свободном виде[2]
, в то время как углерод входит в состав органического вещества. Подавляющая часть органического вещества после ряда трансформаций (первичные продукты фотосинтеза, биомасса, детрит, гумус) окисляется живыми организмами с образованием углекислого газа. Однако в каждом из таких циклов небольшая часть органического вещества выводится из круговорота и захоранивается в осадочных породах. Так как аэробная биосфера существует уже около 2 млрд. лет, подавляющая часть углерода, входившего в состав первичной атмосферы, уже выведена из биосферного круговорота и находится в пассивном виде в осадочных породах литосферы. Причем в концентрированной форме (то есть в залежах ископаемого топлива) находится сравнительно небольшая часть захороненного углерода (24 320 Гт КЭ). Около 32 000 000 Гт КЭ органического вещества диспергировано в осадочных породах (Keeling et al., 1993) и практически недоступно для возвращения в биосферный круговорот. Кислород же, прежде соединенный с углеродом этого органического вещества, находится в атмосфере. Именно недоступность углерода органического вещества осадочных пород и объясняет столь малую потенциальную возможность человечества влиять на содержание кислорода атмосферы.
Содержание кислорода в воздухе и самочувствие людей
Содержание кислорода в атмосферном воздухе является одним из важнейших метеорологических факторов, определяющих здоровье и самочувствие людей. Этот фактор во многом определяет повышенную общественную обеспокоенность по отношению к использованию кислородного ресурса атмосферы. Следует отметить, что самочувствие людей определяется не концентрацией кислорода в воздухе (то есть относительной долей по кислорода отношению к общему газовому составу воздуха), а его весовым содержанием в единице объема, называемым также парциальной плотностью и измеряемым в г на м3
. В медицине разработана классификация типов погоды (Никберг и др., 1986), среди критериев которой используется и весовое содержание кислорода. Выделяют три основных типа погоды: 1) благоприятную (колебание весового содержания кислорода не превышают 5 г м-3
), 2) умеренно неблагоприятную (снижение весового содержания кислорода на 5-10 г м-3
при его содержании менее 275-280 г м-3
), 3) неблагоприятную (падение весового содержания кислорода до 270 г м-3
и менее или его уменьшение более чем на 15 г м-3
). Главной колебаний весового содержания кислорода в воздухе являются изменения атмосферного давления. Из школьного курса физики известно, что плотность и давление газа взаимосвязаны. Чем больше давление, тем больше плотность, то есть большее количество молекул содержится в единице объема. При установлении зоны пониженного атмосферного давления или при прохождении теплого атмосферного фронта в полном соответствии с физическими законами весовое содержание кислорода в единице объема уменьшается, но при этом концентрация кислорода не меняется.
Еще в большей степени физиологический дефицит кислородом ощущается при подъеме на высоту, например, в горной местности. Среднее атмосферное давление в Алма-Ате, например, составляет 90% от давления в Москве, соответственно, и весовое содержание кислорода настолько же меньше. Однако человеческий организм способен достаточно успешно адаптироваться к такому или даже большему снижению весового содержания кислорода по прошествию нескольких дней или недель. Этим свойством организма пользуются, например, альпинисты, проходящие период адаптации перед штурмом высоких горных вершин.
Приведенные выше критерии классификации типов погоды позволяют оценить, какие колебания весового содержания кислорода вызывают ухудшения самочувствия. При умеренно-неблагоприятной погоде весовое содержание кислорода снижается на 2-3%, при неблагоприятной – более чем на 5%. Годовое снижение содержания кислорода составляет ныне 0.0016%, что в 1000 раз меньше, чем уровень колебаний кислорода при умеренно-неблагоприятной погоде. Следовательно, нельзя всерьез говорить о каком-либо влиянии антропогенного потребления кислорода на здоровье и самочувствие людей.
В российском обществе широко распространено мнение о недостатке кислорода в северных широтах. Это вопрос часто обсуждается на страницах периодической печати и в Интернете. Однако физические причины для такого явления отсутствуют. Концентрация кислорода практически одинакова в различных районах земного шара, весовое содержание кислорода в северных широтах существенно больше по сравнению с умеренными за счет более высокого давления. Именно высокое весовое содержание кислорода в атмосферном воздухе и приводит к развитию в организме человека так называемой вторичной гипероксической гипоксии (Овчарова, 1981), то есть в данном случае имеет место обратный физиологический ответ человеческого организма. Этот пример приводит к парадоксальному выводу – с физиологической точки зрения человек более легко адаптируется к недостатку весового содержания кислорода, чем к его избытку.
Следует ли регулировать потребление кислорода?
Со второй половины XX века вопросы, связанные с состоянием атмосферы и качеством атмосферного воздуха, входят в круг постоянно обсуждаемых экологических проблем. На национальном и международном уровне предпринимаются вполне конкретные практические шаги, связанные с охраной компонентов атмосферы и регуляции производства атмосферных загрязнителей. В качестве примера можно привести Венскую конвенцию об охране озонового слоя (1985) и Монреальский протокол по веществам. разрушающим озоновый слой (1987), Рамочную конвенцию ООН по изменению климата (1992) и Киотский протокол к ней (1997). Кислород является одним из компонентов атмосферы, темпы его антропогенного потребления увеличивается, поэтому вполне естественно, что все становятся все более громкими призывы к охране и регуляции использования этого атмосферного ресурса. В России достаточно громкую известность приобрели публикации В.М. Болдырева (2001, 2003а, 2003б, 2004), в которых предлагается новая доктрина атмосферного пользования, основанная на лицензировании атмосферного кислорода.
Рассмотрим основные положения предлагаемой доктрины, поскольку сходная аргументация используется и во многих других публикациях в средствах массовой информации и природоохранных изданиях (Бирюлин, 2000, Гордина и др., 2002, Друзь и др., 1996, Ткаченко, ). В.М. Болдырев исходит из известного определения (Наше общее будущее…, 1989), что «устойчивое развитие – это развитие, отвечающее нуждам и ожиданиям настоящего поколения и не подвергающее риску способность будущих поколений удовлетворять их собственные нужды». С позиций устойчивого развития промышленное потребление кислорода на территории страны (региона) не должно превышать возможность растительного мира страны (региона) по воспроизводству атмосферного кислорода в результате фотосинтеза. В.М. Болдыревым разработана методика по производительности растительного мира Земли в процессе фотосинтеза. С использованием этой методики обнаружено, что производство кислорода растительным миром России существенно превосходит его потребление экономикой страны, в результате Россия ежегодно производит 5.4 млрд. т «избыточного кислорода». В случае введения лицензирования на потребление кислорода на международном уровне, реализация «избыточного кислорода» может дать России до 70-140 млрд. долл. ежегодно. Проанализируем более подробно ряд положений и аргументов, лежащих в основе предлагаемой доктрины (Табл. 2).
Таблица 2. Критический анализ ряда ключевых положений публикации В.М. Болдырева «Атмосферным кислородом по глобализации и кредиторам. Значимый фактор геополитики, национальной безопасности и погашения долгов России» (2001).
| Цитаты из В.М. Болдырева (2001) |
Наши комментарии |
| Резкий скачок потребления кислорода был вызван человеком. Добыча органического топлива и последующее его сжигание на ТЭС, транспорте, различных промышленных объектах привели к необходимости значительного использования кислорода как окислителя сжигаемого топлива. При увеличении добычи и сжигания органического топлива до 20 млрд. тонн условного топлива (т у.т.) в год промышленное потребление кислорода из атмосферы составит примерно 50 млрд. тонн и в совокупности с естественным потреблением превысит нижнюю границу оценки его воспроизводства в природе. |
Современное потребление кислорода в результате сжигания ископаемого топлива составляет около 15% от дыхания гетеротрофных организмов суши, то есть скачок не столь уж резкий. Количество атмосферного кислорода уменьшается в относительном выражении крайне незначительно, однако этот процесс стартовал на грани XIX и XX столетий. Значит, порог естественного воспроизводства кислорода был превышен более ста лет назад. |
| Нами была разработана программа расчета регионального баланса состояния атмосферы исходя из общего потребления топлива в районе и «мощности» по производству кислорода флорой региона… Наши расчеты по указанной выше методике показали: …Россия производит 5346 млн. тонн «избыточного» кислорода в год
|
Суммарное выделение кислорода (то есть разность между валовой первичной продукцией и суммарным дыханием) всей биотой суши составляет около 3000 млн. т. По-видимому, под «производством кислорода флорой» автор понимает чистую первичную продукцию, игнорируя дыхание гетеротрофных организмов. По существующим балансовым оценкам (Nilsson et al., 2000), наземные экосистемы России выделяют около 560 млн. т кислорода в год. С учетом антропогенного потребления (табл. 1), Россия поглощала 2170 млн. т кислорода в 1990 г. и 1310 млн. т кислорода в 1990 г. |
| А примеров кислородного голодания множество. Один из них – сероводородное заражение Черного моря. Еще не так давно оно ощущалось, начиная с 200-метровой глубины, а ныне — с 70 метров: сероводород из-за нехватки кислорода в морской воде не окисляется. Кроме того, в Мировом океане активизировались процессы, приводящие к массовому замору рыбы, в том числе из-за нехватки в нем кислорода. |
Снижение содержания кислорода действительно зарегистрировано во многих районах мирового океана. Его причиной является не снижение концентрации атмосферного кислорода, а повышение температуры воды в результате глобального потепления, приводящее к снижению растворимости кислорода. Негативные последствия этого процесса для морских экосистем пока изучены недостаточно. |
| Ясно, что сегодня в Земле и на её поверхности столько горючих ископаемых и углеводов, что если все их извлечь и одновременно сжечь, то будет израсходован весь кислород планеты. |
При одновременном сжигании всех горючих ископаемых будет израсходовано лишь 2% от современного запаса кислорода атмосферы. Полное разложение всех растений, почвенного гумуса и торфа удалит из атмосферы 0.5% кислорода. |
| Однако мировое сообщество уже длительное время озабочено почему-то не кислородным голоданием большинства промышленно развитых стран, что более важно для жизни, а выбросами СО2
|
Кислородного голодания на суше нет, так как израсходована слишком малая часть кислорода атмосферы. Содержание CO2
|
| Тем временем на нашей планете леса уничтожаются со скоростью 20 гектаров в минуту. Это означает, что при годовом потреблении человеком 400 кг атмосферного кислорода, а его могут произвести 0.3 гектара леса, ежеминутно сокращается возможность существования 67 человек. |
Уничтожение лесов, конечно же, крайне негативное явление. Однако кислород производит лишь растущий лес, в спелом лесу годичные потоки продукции и разложения сбалансированы. Роль спелых лесов (в обсуждаемом аспекте) состоит в хранении связанного углерода. Обезлесивание приводит к выделению CO2
|
Легко заметить, что многие положения В.М. Болдырева находятся в противоречии с имеющими в различных научных дисциплинах сведениями по биосферному круговороту кислорода. Если оставить в стороне ряд апокалипсических примеров «кислородного голодания», то главным методической ошибкой обсуждаемых выступлений является отсутствие балансового подхода к определению производства кислорода растительным покровом. Хотя В.М. Болдырев (2001) и пишет о «сбалансированности производства растениями атмосферного кислорода и его потреблении животными[3]
», в своих дальнейших рассуждениях он использует величины «производства кислорода растительным покровом». В нашем анализе круговорота кислорода (Рис. 3) для аналогичного потока мы используем принятый в экологии термин «чистая первичная продукция».
Справедливости ради надо отметить, что подобную ошибку часто делают многие авторы, рассматривающие круговороты кислорода и углерода. Например, в научной и природоохранной литературе широко используется выражение «леса – легкие Земли», которое предполагает, что леса являются производителем кислорода в атмосфере. В то же время уже давно известно, что в зрелой лесной экосистеме при стабильном климате годичные потоки продукции (производства кислорода) и деструкции (потребления кислорода) сбалансированы. Поэтому производителями кислорода являются лишь растущие леса, в которых углерод из атмосферного углекислого газа складируется в биомассу деревьев, или, например, зарастающие озера, в которых углерод попадает в пул торфа. Правда, в настоящее время климат не является стабильным, а имеет тенденцию к потеплению. Кроме того, увеличение концентрации углекислого газа в воздухе приводит к так называемой фертилизации, что несколько увеличивает продуктивность фотосинтеза. В результате спелые леса, например, бореального пояса несколько увеличили запасы углерода в последние десятилетия (White et al., 1999, Nabuurs et al., 2000 и др.) и, следовательно, являлись источником кислорода. Однако абсолютные величины этого источника не так уж велики.
В результате сделанной методической ошибки В.М. Болдырев приходит к выводу, что годичное производство кислорода растительным покровом России превышает промышленное потребление на 5346 млн. тонн кислорода в год, и этим кислородом безвозмездно пользуются такие страны, как США, Япония и т. д. Если ввести международное лицензирование потребление кислорода, то это должно принести России значительные прибыли. Увы, делать деньги из воздуха – не самый лучший способ решения реальных экономических и экологических проблем. Если принять в расчет потребление кислорода гетеротрофными организмами, то превышение продукции кислорода над его естественным потреблением для территории России составит около 560 млн. т в год (Nilsson et al., 2000), что не компенсирует антропогенное потребление кислорода Российской Федерацией. Конечно, ситуация с соотношением промышленное потребление/естественное воспроизводство кислорода в таких странах, как Япония, Германия, Великобритания, США значительно хуже, чем в России. Однако утверждение, что эти страны используют кислородный ресурс России, явно ошибочно.
И Россия, и промышленные страны западного мира, и бурно развивающиеся Китай и страны Юго-Восточной Азии используют в настоящее время не собственные кислородные ресурсы и не ресурсы других стран, а тот кислород, который был накоплен в атмосфере за время развития биосферы. Основным фактором этого накопления, как было показано выше, являлось захоранивание органического углерода в осадочных породах литосферы. Возвращение этого углерода в атмосферу в массовых количествах невозможно, поскольку в ископаемом топливе содержится лишь 0.08% от общих запасов органического углерода литосферы. И потому кислородный ресурс атмосферы может в настоящее время рассматриваться как неисчерпаемый.
Заключение
Принцип устойчивого развития в приложении к использованию природных ресурсов приводит к необходимости поддержания баланса между эксплуатацией и воспроизводством. По этому критерию современное пользование атмосферным кислородом не соответствует устойчивому развитию, поскольку потребление кислорода превышает его воспроизводство, а запас кислорода в воздухе уменьшается уже около 100 лет. Однако запас атмосферного кислорода настолько велик, что его уменьшение практически незаметно. Столь малое в относительном выражении изменение запаса кислорода не сказывается ни на здоровье людей, ни на функционировании природных экосистем, ни на мощности озонового слоя. Более того, даже теоретическая возможность, связанная с полным сжиганием ископаемого топлива, не приведет к заметному снижению запаса атмосферного кислорода и каким-либо негативным экологическим последствиям. Другие серьезные возможности изменения человечеством запаса кислорода атмосферы в настоящее время просто отсутствуют.
По мощности своего запаса в атмосфере кислород намного превосходит другие важные в экологическом отношение газы, такие как диоксид углерода, озон, метан, оксиды серы и азота и т. д. Так как запасы перечисленных газов невелики, антропогенное воздействие сказывается очень сильно на их изменении, что и приводит к таким экологическим проблемам, как истощение озонового слоя, усиление парникового эффекта, глобальное потепление, «кислые дожди» и т. д. Эти проблемы не являются надуманными, и от их решения действительно зависит как существование человечества, так и функционирование биосферы.
Поскольку принцип устойчивого развития в настоящее время не проведен последовательно во всех сферах взаимоотношений между человечеством и природой, необходима четкая расстановка приоритетов. Оптимизации следует подвергать в первую очередь те взаимоотношения, которые вызывают наиболее негативные эффекты в биосфере. Именно по такому принципу и действует международное сообщество, последовательно решая или хотя бы пытаясь решать наиболее насущные проблемы взаимоотношений человечества и биосферы. В качестве примеров таких решений можно привести Венскую конвенцию об охране озонового слоя, Конвенцию о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния, Рамочную конвенцию ООН об изменении климата и т. д. Охрана атмосферного запаса или регуляция промышленного потребления кислорода безусловно не входит в список таких приоритетов из-за практической неисчерпаемости данного атмосферного ресурса.
Литература
1. Башкин В.Н. Биогеохимия. М.: Научный мир, 2004. 584 с.
2. Бирюлин И. чем будут дышать
наши потомки? ВОЛГА № 156, 18 октября, 2000.
3. Болдырев В.М. Атмосферным кислородом по глобализации и кредиторам. Значимый фактор геополитики, национальной безопасности и погашения долгов Россию. № 5-6 (16-17), март 2001 года
4. Болдырев В.М. Экологическая доктрина в части атмосферного пользования. Какой ей быть? Промышленные ведомости
. № 9-10 (64-65), май 2003а
5. Болдырев В.М. Маниакально-депрессивный психоз по Киотскому протоколу и о возможностях его уменьшения. Промышленные ведомости
. № 23-24 (76-77), декабрь 2003б
6. Болдырев В.М. Кислородный выход из Киотского тупика. Комментарий эксперта редакции. Промышленные ведомости
. № 3-4 (80-81), февраль 2004
7. Будыко М.И., Ронов А.Б., Яншин А.Л. История атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 205 с.
8. Воронов А.Г., Дроздов Н.Н., Криволуцкий Д.А., Мяло Е.Г. Биогеография с основами экологии: Учебник. М.: МГУ, Высшая школа, 2002. 392 с.
9. Гордина А., Калита А., Сизов О., Горшенин В., Касьянов А., Ларин А., Проханов А., Воронянский И., Дронкина Л., Шашурин С., Клопова-Балихина Т., Жиганов Е., Попович М. Что это даст России? (Открытое письмо Председателю правительства РФ М.М. Касьянову). Завтра
. № 41(464) от 8.10.2002.
10. Друзь Н.Н., Брикун И.К., Космухамбетов А.Р. Достаточно ли нам природного ресурса – кислорода воздуха? Вестник «Проблемы экологического законодательства в Республике Казахстан и мировой опыт». Вып. 5. Алматы: Фонд «XXI век», 1996. C. 30-32.
11. Заварзин Г.А. Бактерии и состав атмосферы. М.: Наука, 1984. 192 с.
12. Захваткин Ю.А. Основы общей и сельскохозяйственной экологии: методология, традиции, перспективы. М.: Мир, Колос, 2003. 360 с.
13. Кислород от кондиционеров GREE. 2004. http://www.gree-air.ru/?page=show_news &NewsID=12
14. Наше общее будущее: Доклад Международной комиссии по окружающей среде и развитию (МКОСР). М.: Прогресс, 1989. 376 с.
15. Никберг И.И., Ревуцкий Е.Л., Сакали Л.И. Гелиометеотропные реакции человека. Киев: Здоров’я, 1986. 144 с.
16. Одум Ю. Экология: В 2-х т. Пер. с англ. Т. 1. М.: Мир, 1986. 328 с.Т. 2. М.: Мир, 1986. 376 с.
17. Овчарова В.Ф. Определение содержания кислорода в атмосферном воздухе на основе метеорологических параметров (давления, температуры, влажности) с целью прогнозирования гипоксического эффекта атмосферы. Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физкультуры.
1981. № 2. С. 29-34.
18. Ткаченко Н.Ф. Попытки отодвинуть Россию: размышления над протоколом. Использование и охрана природных ресурсов в России. 2004. № 1. С. 12-21.
19. Третье национальное сообщение Российской Федерации, представленное в соответствии со статьями 4 и 12 рамочной Конвенции Организации Объединенных наций об изменении климата. Москва: Межведомственная комиссия по проблемам изменения климата, 2002. 158 с.
20. Andreev A.G., Kusakabe M. Interdecadal variability in dissolved oxygen in the intermediate water layer of the Western Subarctic Gyre and Kuril Basin (Okhotsk Sea). Geophysical Research letters
. 2001. V. 28. No. 12. P. 2453-2456.
21. Andreev A.G., Watanabe S. Temporal changes in dissolved oxygen of the intermediate water in the subarctic North Pacific. Geophysical Research letters
. 2002. V. 29. No. 146, 1680, doi:10.1029/2002GL015021
22. Najjar R.G., Keeling R.F. Mean annual cycle of the air-sea oxygen flux: A global view. Global biogeochemical cycles
. V. 14. No 2. P. 573-584.
23. Keeling R.F., Shertz S.R. Seasonal and interannual variations in atmospheric oxygen and implications for the global carbon cycle. Nature.
1992. V. 358. P. 723-727.
24. Keeling R.F., Garcia H.E. The change in oceanic O2
inventory under global warming. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.
2002. V. 99. No. 12. P. 7848-7853.
25. Keeling R.F., Najjar R.P., Bender M.L., Tans P.P. What atmospheric oxygen measurements can tell us about global carbon cycle. Global Biogeochemical Cycles.
1993. V. 7. No 1. P. 37-67.
26. Keeling R.F., Piper S.C., Heimann M. Global and hemispheric CO2
sinks deduced from changes in atmospheric O2
concentrations. Nature
.
1996. V. 381. P. 218-221.
27. Kim K., Kim K.-R., Min D.-H., Volkov Y., Yoon J.-H., Takematsu M. Warming and structural changes in the East (Japan) Sea: a clue to future changes in global oceans. Geophysical Research letters. 2001. V. 28. No. 17. P. 3293-3296.
28. Nabuurs G.J., Schelhaas M.-J., A. Pussinen. Validation of the European Forest Information Scenario Model (EFISCEN) and a projection of Finnish forests. Silva Fennica.
2000. V. 32. P. 167-179.
29. Nilsson S., Shvidenko A., Stolbovoi V., Gluck V., Mattias J., Obersteiner M. Full Carbon Account for Russia. IIASA Interim Report, 1R-00-021. Luxenburg Austria, 2000. 181 p.
30. Prentice I.C., Fraguhar G.D., Fashman M.J.R. et al. The carbon cycle and atmospheric carbon dioxide. In
Houghton, J. T., Ding, Y., Griggs, D. J., Noguer, M., van der Linden, P. J., Dai, X., Maskell, K., and Johnson, C. A. (eds.) Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.
Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. P 185-237.
31. Rogner H.-H. Climate Change Assessments: Technology Learning and Fossil Sources – How Much Carbon Can Be Mobilized? The assessment of climate change damages. IEA Greenhouse Gas R&D Programme (SR6).
, Cheltenham, UK, 1998. P. 49-65.
32. White A., Cannel M.G.R., Friend A.D. Climate change impacts on ecosystems and the terrestrial carbon sink: a new assessment. Global Environmental Change.
1999. V. 9. P. S21-S30.
33. World Energy Council. Energy for tomorrow’s world: the realities, the real options and the agenda for achievement. London : Kogan Press, 1993. 320 p.
34. World Resources 2000-2001: People and Ecosystems: The Fraying Web of Life. Washington, World Resources Institute. 2000. 400 p.
35. World Resources 2002-2004: Decisions for the Earth: Balance, Voice, and Power. Washington, World Resources Institute. 2003. 328 p.
[1]
Здесь и далее для потоков и пулов органического вещества мы будем использовать кислородный эквивалент (КЭ), то есть количество кислорода, необходимое для полного окисления (до CO2
и H2
O) данных количеств органического вещества. Такой подход позволяет выражать в сопоставимых единицах все обсуждаемые пулы и потоки.
[2]
При детальном рассмотрении (см. Одум, 1986, Захваткин, 2003 и др.) фотосинтез является сложной химической реакцией, идущей в несколько стадий. Уравнение окисгенного фотосинтеза выглядит следующим образом:
CO2
+ 2H2
O = (CH2
O) + H2
O + O2
,
причем два атома кислорода освобождаются из двух молекул воды, один атом кислорода из молекулы углекислого газа входит в состав органического вещества, а другой образует молекулу воды. Таким образом, свободный кислород происходит из воды, а не из углекислого газа. Однако данный факт не имеет принципиального значения в рамках нашего обсуждения.
[3]
Даже этот тезис является не совсем корректным. Для биоты суши основными гетеротрофными потребителями кислорода являются грибы и бактерии, а не животные. Разложение растительной массы идет в большей мере через отмирание и разложение микроорганизмами, а не через выедание животными. В мировом океане ситуация обратная.